探讨结构沥青路面加铺层结构可靠性

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摘要:通过工程实践发现加铺后的路面,往往在没有达到设计年限的情况下就出现了不同程度的病害,使得路面的服务年限缩短,意味着加铺层的使用功能提前失效 。文章对沥青加铺层的可靠性及其衰减规律进行了分析。
关键词:沥青加铺;路面结构;可靠度计算
Abstract: Through the engineering practice found after overlay pement, often do not meet the design of case appeared different degrees of disease, shorten the service life of pement, means that the overlay function failure in advance. The asphalt overlay's reliability and the attenuation law were analyzed.
Key words: asphalt pement; pement structure; reliability calculation

随着公路使用年限的增加,越来越多的沥青路面急需维修与处理。由于加铺沥青混凝土面层具有工艺简单、工期短、造价低、对交通影响小等优点,在旧路改造中得到了普遍应用。

一、路面结构可靠性及其度量

路面结构可靠性是指在规定的设计使用期内,在规定的交通和环境条件下,路面使用性能满足预定水平的能力。而极限状态是结构可靠(有效)和不可靠(失效)的界限,所以依据我国现行JTGD5-2006《公路沥青路面设计规范》对路面刚源于：论文www.7ctime.com
度以及整体强度的控制指标,可以确定出两种极限状态方程为
Z = ld- ls(1)
Z = σR-σm (2)
式中:Z 为路面结构极限状态的功能函数,是综合抗力与效应函数的差值;ld 为路面设计弯沉值,是弯沉综合抗力, ld = 600Ne–0.12AcAsAb;ls 为路面实测弯沉值,是弯沉综合效应, ls = 1000 ×(2p、δ/Et)×αc ×F;σR为路面结构层材料的容许拉应力,MPa,是拉应力综合抗力, σR =σSP /Ks.σm为路面结构层层底最大拉应力,MPa,是拉应力综合效应,σm = p×。其中:Ne、Ac、As、Ab、p、δ、Et、αc和F分别代表设计年限内一个车道上的累计当量轴次(次)、公路等级系数、面层类型系数、基层类型系数、标准车型的轮胎接地压强MPa、轮胎接触面当量圆半径cm、旧路当量回弹模量MPa、理论弯沉系数和弯沉综合修正系数; σSP、Ks 和分别代表沥青混凝土材料的劈裂强度MPa、抗拉结构强度系数和理论最大拉应力系数。
如果抗力大于效应,表示路面结构处于可靠状态;等于,则处于极限状态;小于,则表示路面结构已失效或破坏。相关资料研究表明,路面设计弯沉、实测弯沉以及结构层容许拉应力、层底最大拉应力这几个变量都服从正态分布,由概率论的知识可知Z也服从正态分布。于是,Z的概率密度函数可以表示为
这样,路面结构满足预定功能的概率可靠概率,也称为可靠度,就是p(Z > 0),表达式为
式中:μZ 和σZ 分别为功能函数Z的均值和标准差。

二、沥青加铺层结构可靠性分析

(一)可靠度计算方法

用蒙特卡罗方法求解沥青加铺层可靠度的关键是求抗力与效应变量的随机数。随机变量函数的理论,只要知道一种具有连续分布的随机变量,就可以通过变换或运算产生其他任意分布的随机变量。在分析时,首先生成两个相互独立的(0,1)均匀分布随机数R 1和R 2 ,则很容易证明下式成立:
式中: Xi ( i = 1, 2) 为构造的正态分布随机数;μ和σ分别为服从正态分布的抗力或效应的均值和标准差。
抽样数N 与可靠度计算结果的精度有很大关系。为保证一定的精度,必须将N 足够大。
N ≥ 100 / pf。(6)
式中:pf为预先估计的失效概率, pf = 1-ps,其值通常较小,所以模拟次数较多。对路面结构而言,由于路面结构参数、交通参数以及施工水平本身就有很大的变异性,因此可靠指标不能定得太高,同时各种参数的小幅度变化对工程质量并没有大的影响论文导读：
,因而可靠指标不能定得太低;综合考虑多方面因素,本文取目标可靠度为95%,根据式(6)可以计算出模拟次数为2000次。

(二)沥青加铺层可靠性分析

1.参数变化范围选取。路表实测弯沉一般介于40～120(0.01mm),基于此,可取旧路当量模量的变化范围为100～500MPa。沥青混凝土在20 ℃的模量可取800～1600MPa。至于加铺厚度,过薄容易导致剥落病害,太厚则易产生车辙,也不经济,所以选取加铺厚度范围为3～12 cm,如厚度> 9 cm,可能为双层,近似看作其有相同模量,可假设为一层,参数取值水平。
2.参数影响程度确定。依照表1所取的参数范围,对3个因素5个水平进行正交组合设计,试验值由专门的路面结构计算程序得到。结果显示:以设计弯沉为控制指标时,旧路模量、加铺厚度以及面层模量所对应的极差分别为0.684、0.08和0.053。当以容许拉应力为控制指标时,三参数所对应的极差分别为0.874、0.389和0.314。这与以设计弯沉为控制指标时的显著性顺序是一致的,但是加铺厚度和面层模量的变化对面层层底最大拉应力的影响却不容忽视。

3.可靠性分析

(1)以弯沉为控制指标的可靠性分析。我国沥青路面设计方法中采用的交通参数是路面设计年限内当量标准轴载的累计作用次数Ne,其与设计弯沉有着密切的关系。根据我国目前的交通状况,取累计当量标准轴次为106 ～2.5×107次,则设计弯沉就在18.9～37.9(0.01mm)。相关研究成果表明:设计弯沉与实测弯沉的变异系数大都介于0.05～0.15和0.15～0.45,在用蒙特卡罗进行模拟分析时分别取均值0.1和0.3。这样,以0.1为变异系数,根据式(5)可构造出在18.9 ～37.9(0.01mm)的服从正态分布的设计弯沉随机数2000个。由于旧路当量模量对设计弯沉影响很大,所以在分析另外两个参数对沥青加铺层可靠度的影响时,分别假定其中一个为定值。不同组合情况下的实测弯沉由专门的路面设计程序计算得到,并以此为均值,0.3为变异系数构造实测弯沉随机数。根据式(1)和(4)就可以计算得到各自的可靠度。弯沉控制指标下的沥青加铺层的可靠度变化可知,加铺层可靠度随着加铺厚度的增大而先减小后增大,因为加铺单层沥青混凝土时,路表实测弯沉不是随着加铺厚度的增大而逐渐减小,而是存在一个极值点(旧路当量模量在200～500MPa时,这个极值点在5～7 cm处)。可以看出,加铺层可靠度随面层模量的增大而增大,但幅度非常小。
图1图2
(2)以拉应力为控制指标的可靠性分析。容许拉应力可通过沥青混凝土材料的劈裂强度和抗拉结构强度系数的比值计算得到,而细粒式沥青混凝土15℃的劈裂强度一般在1.2～1.6MPa,计算时取均值1.4MPa。至于抗拉结构强度系数,它与累计当量轴次有较大的关系,同样假定累计当量轴次为106～2.5×107次,则容许拉应力在0.37～0.74MPa。一般情况下,容许拉应力和面层底面拉应力的变异系数分别介于0.2～0.4和0.4～0.8,蒙特卡罗模拟时分别取变异系数为0.3和0.6,这样,以类似的方法可以分得到不同组合下的容许拉应力和面层底面拉应力随机数2000个,通过式(2)和(4)可计算出各自的可靠度。